胡福胜，熊飞

（广州汽车集团股份有限公司 汽车工程研究院，广东 广州 511434）

前言

近年来电动汽车行业发展迅速，动力电池作为新能源汽车的核心部件，其运行状态直接影响到电动汽车的性能。为准确判断电池的运行状态，一些基本的状态量需要准确并实时监测，如电池的温度、电压与电量等。电池的温度状态直接影响电池基本性能，不同的温度状态对电池的内阻、健康状态和其使用寿命均有影响[1-2]，电池温度降低时其内阻增大可用容量减少[3-4]，温度高时电芯的使用寿命会显著降低。动力电池在高负荷运行过程、过充或者内短路等情况下，电池内部会产生大量的热量，如果这些产生的热量不能及时散出，将会对电池产生不可逆的损伤。因此对动力电池温度进行直观有效地检测与预估具有重要意义。

本文分析了电池表面测量温度与电池内部实际温度差异的影响因素，基于方壳电芯成组的电池模组提出了基于采样温度推测电池内部温度的预测方法。为了验证该方法的准确性，利用内置温度传感器的电池模组测试了对预测方法进行对比，结果表明该方法可较准确地反映电池内部温度。

1 动力电池热模型建立

1.1 动力电池结构模型

本文研究的对象为方形磷酸铁锂电池，其中要参数如表1 所示。

表1 电池主要参数

单电池主要包括铝壳（含绝缘膜）、卷绕、卷绕支架、底板、顶部支架、极柱连接/保险、顶板、顶盖等。多个电池成组后，组成模组的主要组成结构如图1 所示，主要包括端板、侧板、电芯间铝连接、线束隔离板等。

在方壳电芯实际电池成组后，温度传感器主要布置于电芯间的铝连接表面，所测温度实际为铝连接的温度。其所测得温度与电池内部正负极片和隔膜的温度（也就是电池活性物质的温度）有差别。

图1 电池模组主要结构组成

1.2 动力电池热模型建立

在电动汽车行驶过程中电池组的温度状态逐渐发生变化，不同的环境和工作状态下，测试温度与电池内部的温度偏差不一样，为研究这一偏差，需分析不同部件的产热及散热。表2 为主要部件基本热特性参数。

表2 电池主要部件热物性参数

对于电芯极柱的产热和散热平衡分析。其中产热部分有极柱导电时产生的欧姆热，接触电阻产生的热。其中欧姆热部分：

式中：Rconduct为导电电阻，Rcontact为接触电阻。

电池间铝连接电阻计算：长43mm，厚1.5mm，宽30mm，电导率2.5E7S/m，计算电阻值为0.038mOhm。接触电阻依据实际焊接面积计算。

其散热项主要有对环境的对流散热项、辐射散热项，按公式(2)和公式(3)计算。

式中：Tbar和Tamb分别为铝连接与环境温度。

其中k 为辐射系数。

模组有负荷情况下，根据负荷计算出电池极柱的温度。对于电芯内部，其主要热源为工作时电芯内部的产生的热量，其产热部分主要有电芯的不可逆热和可逆热。[5~6]

基于不同的电池荷电状态SOC，其内部的开路电压（Open Circuit Voltage, OCV）会发生变化。当电池处于放电状态时，OCV 的值也大于电池两端的电压U，反之则小于。

集成在电池内部的电池管理系统（Batter Management System，BMS）可实时更新OCV，并反馈运行过程中监测到的电流和电压。

通过文献[7]的方法，将加热片置于电池表面并固定，布置温度传感器于电池内部，将其放于加速绝热量热仪中测试，通过以公式(5)计算出电池比热。

通过测算，电池内部比热980J∙kg-1∙K-1。

单个电池三个方向的组合热导率可由多个部件的热导率计算按公式(6)计算。

由于电池导热系数是各向异性，平行于叠片方向和垂直于叠片方向的导热系数参照文献[8]的值，电池平行及垂直两个方向的导热系数分别取24W∙m-1∙K-1和1.1W∙m-1∙K-1。

电池与外界环境的热交换过程可由以下对流换热方程计算：

另外，由于电池模组安装在电池包内，电池与其它部件件的导热可由导热方程计算：

式中：δ为两者考虑导热关系的距离，A为导热接触面积。

2 动力电池内部温度预测及验证

2.1 动力电池内部温度预测

通过以上内部热模型，计算得到铝排温度与电池内部温度的差别。其中电池铝排及内部产热及散热造成的温差按式(9)和(10)计算：

根据以上所计算温度差别，按式(11)计算出电池内部温度：

2.2 电池内部预测温度验证

电池内部的温度通过内置热电偶温度传感的方法测得，如图2 所示：

图2 内置热电偶电芯

图3 所示为25℃环境下电池1C 倍率放电过程电池预测、测试内部温度与电池极柱的温度对比，实测电池极柱温度为圆整至1℃精度后的值。图3 中预测出的电池内部温度相对外部极柱测得值更接近电池活性物质的温度值。

图3 25℃下电池1C 放电时电池预测模型验证

图4 所示为在0℃环境下加载到电池组的工况电流变化曲线。整个工况持续时间约7000 秒。

图4 实际运行过程电池负载电池

图5 0℃工况下内部预测与实测温度对比

实际运行过程中电池存在充电和放电状态。图5 所示为在此工况下得到的电池内部温度预测值和实测值的变化曲线。预测所得的电池内部温度变化值与实际测得的电池内部温度吻合。

为进一步考查模型的有效性，对低温下电池运行并加热过程及电池工况运行完后的冷却情况进行分析。图6 为在0℃下的工况电流曲线及外部加热功率的变化曲线。图7 所示为电池内部预测温度值与实际测试值对比。

图6 0℃运行并加热的工况与加热功率曲线

图7 0℃工况温度预测值与实测值对比

从结果看出，不管是电池在加热或者是电池在散热，温度预测模型都能较好地预测出电池同部温度。

3 结论与展望

为从实际应用过程中得到电池内部的温度，本文从各个影响测温点温度变化与电池内部温度变化的因素进行分解，提出了一种相对简单的温度预测模型。为验证温度预测模型的有效性，针对电池不同的运行状态进行对比分析验证，得出该模型对比较准确地预测出各种运行状态下的电池内部的温度。为电池寿命预测、电池包热管理等提供更加准确的输入。

该模型简化了电池测点布置，可运用于实际的电池内部温度预测中，也可以集成到现有的控制器内，实时地对电池内部温度进行反馈。为BMS 内部的其他模块提供更加精确的温度参数输入。

本文提到的电池内部温度的预测可有效地得到电池内部温度，与内部实测温度相差值小于5K，可应用于实际电池状态监测。